王科偉，王小怡，王 晶，劉召慶，王生讓，張魁甲

（1.總參陸航部駐西安應(yīng)用光學(xué)研究所軍事代表室，陜西 西安710065；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

光電跟蹤系統(tǒng)主要有瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、夜間飛行導(dǎo)航系統(tǒng)等。其中穩(wěn)瞄系統(tǒng)最復(fù)雜，并且其性能和精度最高。穩(wěn)瞄系統(tǒng)用于隔離載機(jī)（直升機(jī)、車輛等）振動(dòng)所引起的圖像晃動(dòng)，保證光電傳感器的分辨率和輸出圖像的穩(wěn)定性。該類設(shè)備最重要的性能指標(biāo)是穩(wěn)定精度，可通過載機(jī)振動(dòng)的隔離殘差表征。通常，用于瞄準(zhǔn)的穩(wěn)瞄系統(tǒng)只需穩(wěn)定方位和俯仰2個(gè)軸，橫滾方向不需要穩(wěn)定。按結(jié)構(gòu)形式劃分，穩(wěn)瞄系統(tǒng)可分為兩軸兩框架系統(tǒng)和兩軸四框架系統(tǒng)，兩軸兩框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度一般約為100μrad；兩軸四框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度范圍可達(dá)20μrad～40μrad。未來發(fā)展方向是采用粗精組合穩(wěn)定方式，其精度可達(dá)5μrad～10μrad［1－5］。針對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定精度測試需求，提出一種穩(wěn)定精度動(dòng)態(tài)測試方法。該測試方法根據(jù)光學(xué)自準(zhǔn)直原理，搭建穩(wěn)定精度測試平臺(tái)。由安裝于被測光電跟蹤系統(tǒng)上的反射鏡反映系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)，通過反射鏡反射光束至CCD探測器，將被測系統(tǒng)μrad級(jí)的角位移變化放大并轉(zhuǎn)換成光電探測器光敏面上可檢測的光斑位置變化，結(jié)合圖像質(zhì)心算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得系統(tǒng)穩(wěn)定精度指標(biāo)。

1 測量原理

光電跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定精度指標(biāo)通常具有小的角度范圍和高的測量精度要求，根據(jù)此屬性，該測量系統(tǒng)采用了光學(xué)自準(zhǔn)直原理，測量系統(tǒng)光路圖如圖1所示，光線通過位于物鏡焦平面的分劃板后，經(jīng)物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來，再次通過準(zhǔn)直鏡頭后由分光棱鏡轉(zhuǎn)折匯聚在位于共軛焦平面的CCD表面，形成分劃板像。當(dāng)反射鏡傾斜一個(gè)微小角度時(shí)，反射回來的光束就產(chǎn)生一個(gè)傾角，位于CCD探測表面的分劃板像就產(chǎn)生一個(gè)位移。通過CCD對(duì)分劃板像位移的判讀就可以得知反射鏡的角位移。

圖1 測量系統(tǒng)光路圖Fig.1 Optical path of measurement system

測量原理示意圖如圖2所示。

圖2 測量原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement

分光棱鏡與反射鏡之間的距離為D，分光棱鏡與CCD探測面之間的距離為d，為便于說明，圖中將分光棱鏡的反射光線沿平面鏡的反射光路方向展開，經(jīng)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定后的反射鏡角度改變?yōu)棣粒纱艘鸬腃CD面上光斑的改變量為Δ，由圖中容易看出：

因?yàn)棣梁苄?，所以有?/p>

式中D，d均是可以根據(jù)光路布置確定的常數(shù)，所以被測穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度α可以從CCD上的光斑偏移量Δ計(jì)算得出。

測試一個(gè)時(shí)間歷程，通過測量CCD靶面上的光斑偏移量Δ，可得到光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定精度測試結(jié)果σ。

2 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀、測試用計(jì)算機(jī)、測試軟件和光源組成，穩(wěn)定精度測試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。光源使用LED光源。高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀發(fā)出一束光，被置于穩(wěn)瞄光具座上的反射鏡返回后成像在探測器上，反射光偏轉(zhuǎn)，則反射角度偏轉(zhuǎn)2倍，探測器通過測量其上光學(xué)像的位置變化，能夠獲得反射角度，通過軟件對(duì)該角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

圖3 穩(wěn)定精度測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Framework for testing stability accuracy

2.1 高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀

根據(jù)測量系統(tǒng)方案，初步選定西安光衡光電科技有限公司的高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀，并針對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。此高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀使用了線陣CCD作為探測器，在對(duì)光電穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)，線陣CCD是對(duì)方位和俯仰分別進(jìn)行測量的。線陣CCD先對(duì)方位進(jìn)行測量，如果出現(xiàn)俯仰偏轉(zhuǎn)，這時(shí)線陣CCD是探測不到數(shù)據(jù)的，再對(duì)俯仰進(jìn)行測量時(shí)如若出現(xiàn)方位的偏轉(zhuǎn)，線陣CCD也是無法探測到的?；诖朔N原因，必須將線陣CCD更換為面陣CCD。該裝置改用了1／2英寸（1.27cm）格式大面陣CCD探測器，型號(hào)為FTM50，具有高分辨率、高感光度，抗暈性能好等特點(diǎn)。FTM50型CCD的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 CCD產(chǎn)品（FT50M）相關(guān)特性參數(shù)Table 1 CCD-related（FT50M）parameters

從表1可知，F(xiàn)T50M的像素尺寸為5.6μm×5.6μm，高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀器的焦距是200mm，結(jié)合測量精度要求，根據(jù)（3）式得到：

可以看到FT50M探測器達(dá)到14μrad級(jí)，再經(jīng)過圖像處理之后會(huì)更小。本文針對(duì)兩軸兩框架穩(wěn)瞄系統(tǒng)的穩(wěn)定精度測試需求開展研究工作，兩軸兩框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度通常在50μrad～100 μrad之間，穩(wěn)定精度按50μrad考慮，所以 遠(yuǎn)小于50μrad，此探測器滿足要求。

2.2 信號(hào)處理

信號(hào)處理流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理流程圖Fig.4 Flow chart of signal processing

質(zhì)心法圖像預(yù)處理算法一般包括：灰度值的計(jì)算、圖像半閾值化、圖像邊緣提取，最后根據(jù)質(zhì)心法計(jì)算質(zhì)心。

1）計(jì)算圖像灰度值

對(duì)應(yīng)于每個(gè)灰度值，求出圖像中具有該灰度值像素?cái)?shù)的圖形叫做灰度值直方圖。直方圖是表達(dá)圖像灰度級(jí)分布情況的統(tǒng)計(jì)表，但直方圖不提示像素的具體位置。由于直方圖能夠直觀地表征圖像特性的信息，因此在圖像處理中起著非常重要的作用，可以用來作為圖像數(shù)字化的參數(shù)和確定分割圖像閾值的依據(jù)。

2）圖像半閾值化

半閾值法，即將灰度級(jí)低于某一閾值的像素灰度變換為0，而其余的灰度級(jí)不變，仍保留原來的灰度值［6－7］。其處理方法如下：

全局閾值是根據(jù)整幅圖像f確定的：

式中B為圖像閾值。

設(shè)圖像目標(biāo)為I，I中的每一個(gè)像元I（i，j）與閾值B相減，結(jié)果大于B值的像素灰度保持不變。結(jié)果小于B 值的為“0”。設(shè)f（i，j）＝I（i，j）－B，則有：

3）圖像的邊緣檢測

圖像邊緣提取是測量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。首先，對(duì)經(jīng)過半閾值化處理后的圖像生產(chǎn)一幅矩陣數(shù)據(jù)表；隨后，對(duì)這幅圖表在X和Y方向各進(jìn)行一次卷積，采用的算子為一種較為常用的Sobel算子，圖5所示為Sobel算子，得到兩組數(shù)據(jù)表；再將這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)取最大值運(yùn)算，可用公式表示如下：

式中：（i，j）為數(shù)據(jù)表中的X和Y方向相應(yīng)單元格坐標(biāo)；fX（i，j），fY（i，j）分別為第一和第二組數(shù)據(jù)表中（i，j）處的數(shù)據(jù)。

圖5 Sobel邊緣檢測算子Fig.5 Sobel edge detection operator

最后，查找到的一個(gè)最大的f0（i，j）必為邊緣像素，取以f0（i，j）中心的3像素×3像素為單元，對(duì)比f0（i，j）周邊值，找到其中的最大值作為下一個(gè)邊緣點(diǎn)。如此下去，直到邊緣封閉為止。

4）質(zhì)心算法

本文采取傳統(tǒng)質(zhì)心求取算法。圖像質(zhì)心即圖像灰度的重心，設(shè)圖像有i，j兩個(gè)方向，m，n分別為i，j方向像素的數(shù)量，g（i，j）為像素點(diǎn)（i，j）處的灰度值，則圖像質(zhì)心位置坐標(biāo)表達(dá)式如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果

首先將自準(zhǔn)直儀、計(jì)算機(jī)、電源等部件連接，并將反射鏡粘貼在被測系統(tǒng)上。其次，測試前行初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)，必須通過調(diào)節(jié)安裝夾具使紅光激光束大致入射在測試反射鏡幾何中心位置，以保證測試過程中入射光點(diǎn)始終落在測試鏡上，同時(shí)保證經(jīng)過測試反射鏡反射后的光點(diǎn)落在高速動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀CCD光敏面的中心點(diǎn)位置附近，以確保測試光點(diǎn)的晃動(dòng)落在器件線性度較好的區(qū)域。

對(duì)某型光電跟蹤系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度的測量，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理分析：首先對(duì)測量的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)心的求??；其次將所有圖像的質(zhì)心作了線性擬合，并對(duì)其進(jìn)行去漂移過程；再次，將處理的結(jié)果作了一個(gè)均方根的計(jì)算，得出穩(wěn)定精度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 結(jié)果數(shù)據(jù)表Table 3 Datasheets of result

將各個(gè)方向兩種工作模式下的方位和俯仰進(jìn)行均方差處理，即可以看出系統(tǒng)分別在X，Y，Z向的兩種工作模式下的穩(wěn)定精度：

4 結(jié)論

本文提出一種以光學(xué)自準(zhǔn)直原理為主要技術(shù)的穩(wěn)定精度測試方法，完成了基于光學(xué)自準(zhǔn)直技術(shù)的測試研究。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，測試50μrad級(jí)兩軸兩框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，測出最大穩(wěn)定精度為48μrad，所以本測試系統(tǒng)能滿足50μrad級(jí)兩軸兩框架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度測試需求。

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